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《西南交通大学》 2010年
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水平层状隧道围岩压力拱理论研究

李奎  
【摘要】:高速铁路、城市地铁工程在我国的蓬勃发展,为隧道及地下工程的发展带来了机遇与挑战。压力拱效应是地下工程开挖过程中存在的最基本的力学现象之一,虽然早在19世纪就认识到隧道围岩中存在压力拱效应,20世纪初创建了自然平衡拱理论,但是在缺少研究手段的情况下,压力拱研究进展缓慢。近年来,随着数值分析方法及计算机软硬件的发展,为深入研究压力拱理论提供了可能。为此,采用数值分析方法,研究了单线隧道及并行隧道水平层状围岩内压力拱,并积极开发其相关应用。 (1)针对地下工程施工过程模拟,介绍了平面及三维模型的常用计算方法,半无限域问题边界处理方法以及初始地应力场模拟的实用方法。从洞室横断面形状及水平应力的大小研究单一水平围岩的压力拱拱体的判别方法。大量的数值模型论证了压力拱拱体为封闭的环状体,其形成条件为隧道开挖后洞室各主要部位所产生位移的最大值均相当,判断各主要部位的最大位移相当的标准为:当隧道开挖后边墙水平位移的最大值小于拱部沉降的最大值和仰拱隆起的最大值时,拱部沉降的最大值、仰拱隆起的最大值分别与边墙水平位移的最大值之比值都小于1.6;当隧道开挖后拱部沉降的最大值小于仰拱隆起的最大值和边墙水平位移的最大值时,仰拱隆起的最大值、边墙水平位移的最大值分别与拱部沉降的最大值之比值都小于1.6。依据洞室围岩内应变能增大区是否覆盖整个洞室断面以及剪应力临界线是否呈“十”字形分布,可判断压力拱是否为封闭的环状体,这一结论已经被大量的数值模型所证实。压力拱的外边界为经过特定点的最大主应力矢量流线(一段或封闭曲线)。提出了绘制压力拱的近似外边界的基本准则:压力拱的外边界分布须与围岩中最大主应力矢量分布基本上趋于一致。从洞室埋深、洞室开挖宽度、岩体力学指标、施工方法等方面详细深入研究单一水平围岩中压力拱的分布规律。 (2)研究了单一水平围岩的临界成拱埋深,探讨了围岩级别、隧道开挖断面宽度与自然或人工临界成拱埋深的关系、并建立了自然或人工临界成拱埋深与隧道开挖断面宽度之间的拟合方程,分析了围岩物理力学指标对自然或人工临界成拱埋深的影响。提出覆岩系数fu和伏岩系数fd,分别研究隧道上覆地层分布或下伏地层分布对自然或人工临界成拱埋深的影响,以覆岩系数fu和伏岩系数fd的取值范围以及主层围岩的自然或人工临界成拱埋深来研究多层水平层状围岩的自然或人工临界成拱埋深。分析了覆岩系数fu和伏岩系数fd的取值、以及隧道上覆地层分布或下伏地层分布与自然临界成拱埋深的规律的主要影响因素。对于Ⅱ~Ⅴ级围岩,建立了基于单一水平围岩临界成拱的深埋与浅埋隧道分界指标的计算公式。以开挖断面宽度为7.0 m马蹄形隧道为例,初步开展了基于多层水平层状围岩临界成拱的深埋与浅埋隧道分界研究。 (3)以V级围岩以及开挖断面宽度7.0m马蹄形隧道为例,采用有限元方法,研究了隧道埋深在10-50m的情况下并行隧道水平围岩压力拱效应或拱形梁作用的分布、中岩墙厚度及力学行为对围岩压力拱效应或拱形梁作用的影响。拱形梁结构和压力拱都是从应力场的角度经过抽象所形成的力学模型,其内最大主应力矢量分布特征与荷载传递规律相同,但是由于它们形成的机理不同,因而其作用和功效亦有所差异,前者是梁作用,后者是压力拱作用。深入开展了对拱形梁结构与压力拱进行比较性研究。对于深埋隧道,提出了拱形梁结构形成所具备的中岩墙厚度条件。提出了联合压力拱效应及联合压力拱的概念,并指出联合压力拱形成所具备的中岩墙厚度条件。对于小净距隧道分类,研究了各种指标的可行性,提出了三分类指标的具体计算方法、以及提出了“A类”小净距隧道下面细分“A1类”,为深埋小净距隧道利用联合压力拱理论指导围岩锚喷设计提供了可能。 (4)依据大量的数值模型分析,基于地层损失控制,论证了浅埋隧道施工地层位移控制原理。运用数值分析方法,研究了地铁隧道下穿小河和桥梁的施工方案优选、近接施工既有地下结构安全性评估方法。在施工方案优选中,强调运用工程经验与基于数值分析方法的隧道施工力学分析相结合的综合方法。在既有地下结构安全性评估方面,根据有限元和有限差分程序各有特点,选择不同分析程序并将其结果相互印证是一种非常好的方法。
【学位授予单位】:西南交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:U455.4

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